Einfluss unterschiedlicher metallischer Gegenpartnermaterialien auf das Reib- und Verschleißverhalten von PEEK-Compounds

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1 Gerrit Rüdiger, Birgit Schädel, Olaf Jacobs Einfluss unterschiedlicher metallischer Gegenpartnermaterialien auf das Reib- und Verschleißverhalten von PEEK-Compounds Zusammenfassung Am Beispiel von PEEK-Compounds mit einem Füllstoffanteil von 30% Kohlenstofffasern wurde der Einfluss des Gegenpartnermaterials auf ihr Reib- und Verschleißverhalten getestet. Bei den Kohlenstofffasern handelt es sich um PAN-Fasern sowie einer Kombination aus Pitch und PAN-Fasern im Verhältnis 30/70. Es wurden die Belastungen sowie die Geschwindigkeiten variiert. Es zeigte sich, dass das Gegenpartnermaterial einen erheblichen Einfluss auf das Reib- und Verschleißverhalten der PEEK-Compounds haben kann. Besonders unter geringen Belastungen bei geringer Geschwindigkeit können die Verschleißergebnisse, abhängig vom Gegenpartner, um bis zu einer Größenordnung variieren. Mit steigender Belastung und Geschwindigkeit verringert sich dieser Effekt. Keywords: Kohlenstoffverbund, Kohlenstofffaser, Verbundwerkstoffe, Kohlenstofffaserarten, PEEK-Verbundwerkstoff, Pitch-Faser, PAN-Faser Abstract The effect of different steel counterparts on the tribological behavior of PEEK filled with 30% of carbon fibers was investigated. The PEEK was filled with 30% of PAN-fibers or a combination of Pitch and PAN fibers (Pitch/PAN = 30/70). The stress collective was varied. The counterpart material had an enormous influence on the friction and wear behavior of the PEEK compounds, especially under mild conditions. For the combination of the lowest speed and load the results of the different counterparts differ by one order of magnitude. With increasing loads and velocities the difference decreases. Keywords: Polymer composites, carbon fiber, PEEK-Compounds, Pitch-fiber, PAN-fiber, PEEK, Polyetheretherketon 1 Einleitung Kunststoffe werden in tribologisch beanspruchten Systemen wie Lagerbuchsen, Gelenkpfannen, Zahnrädern, Gleitschienen etc. eingesetzt [1,2]. Vorzüge der Kunststoffe sind die kostengünstige Verarbeitung zu komplexen Bauteilen, Korrosionsbeständigkeit sowie gute Notlauf- und Dämpfungseigenschaften. Allerdings haben Kunststoffe eine relativ geringe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit; bei höheren Beanspruchungen neigen sie zum Kriechen. Durch Zumischung funktioneller Additive werden die Einsatzgrenzen der Kunststoffe erweitert [3-5]. Verstärkungsstoffe wie Kohlenstoff- oder Glasfasern erhöhen

2 Festigkeit, Steifigkeit, Kriechwiderstand, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Interne Schmiermittel wie PTFE, Grafit oder Silikonöl (nicht von außen hinzugegeben, sondern in die Kunststoffe eingemischt) reduzieren die Reibung und damit in der Regel auch den Verschleiß. Diese Compounds werden von verschiedenen Anbietern hergestellt und sind kommerziell erhältlich. Gerade in hoch beanspruchten Bauteilen werden gerne Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Kohlenstofffasern werden in verschiedenen Qualitäten und aus verschiedenen Rohstoffen hergestellt. Der Rohstoff für Pitch-Fasern ist Pech und/oder Teer, aus dem Fasern gezogen, versponnen und durch thermische Behandlung zu Kohlenstofffasern verarbeitet werden [6,7]. Der Herstellungsprozess der PAN-Faser ähnelt dem der Pitch-Faser, allerdings ist der Ausgangsstoff eine vergleichsweise günstige, weit verbreitete Textilfaser aus PAN (Polyacrylnitril), die seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts verfügbar ist. Durch unterschiedliche thermische Behandlungen von bis C wird das spezielle Eigenschaftsprofil der Faser eingestellt [8]. PAN-Fasern können einen E-Modul von etwa 220 bis 450 GPa, und Bruchdehnungen von 2,2 bis 0,7% aufweisen. Pitch-Fasern haben typischerweise einen E-Modul von etwa 170 bis 950 GPa und Bruchdehnungen von 0,7 bis 0,3%. Folglich sind Pitch-Fasern in der Regel spröder und härter als PAN-Fasern. Außerdem ist die Herstellung von Pitch-Fasern deutlich aufwendiger, so dass sie teurer sind als vergleichbare PAN-Fasern. Der Anteil an PAN-Fasern im Markt liegt daher bei ca. 90%. Der Einfluss der Faser auf das Reib- und Verschleißverhalten kann erheblich sein. Es wird bisher angenommen, dass sich Verschleißprodukte der relativ weichen PAN-Faser häufig im Reibspalt verschleiß- und vor allem reibungsmindernd auswirken, da die Kohlenstofffasern zu Grafitstaub verrieben werden könnten [9]. Dieses trifft auf Pitch-Fasern möglicherweise nicht zu, da deren Verschleißprodukte so hart sind, dass sie abrasiv wirken könnten. Erste Untersuchungen haben diese Annahme bestätigt. Weiter geht man davon aus, dass das Gegenpartnermaterial einen großen Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Kohlenstofffaser gefüllten PEEK-Compounds hat. Dieser Einfluss wird hier systematisch untersucht.

3 Der Konstrukteur, der diese Compounds verwenden möchte, benötigt zuverlässige tribologische Materialkennwerte für die Bauteilauslegung. Diese Kennwerte werden zumeist in Laborversuchen ermittelt. Typische Laborprüfverfahren arbeiten beispielsweise mit den Systemen Stift- Scheibe, Klötzchen-Ring oder Kugel-Prisma. Dabei wird eine Probe des zu charakterisierenden Compounds gegen einen Gegenpartner gerieben und Materialabtrag sowie Reibkraft werden aufgezeichnet. Als Gegenpartner werden dabei zumeist metallische Werkstoffe häufig der Lagerstahl 100Cr6, seltener rostfreie Stähle verwendet [1,3,10]. Nun sind jedoch Reibung und Verschleiß Systemeigenschaften, die extrem stark von den Beanspruchungsbedingungen und dem Gegenpartnermaterial abhängen [11]. Um den Einfluss des Gegenpartnermaterials auf den Verschleiß von kohlenstofffasermodifizierten Polymerproben zu untersuchen, wurde unter unterschiedlichen rotierenden Belastungen gegen Lagerstahl (100Cr6) und rostfreien Stahl (X5CrNi18-10) getestet. Die Oberflächentopographien waren bei beiden Werkstoffen gleich. 2 Versuchsbeschreibung 2.1 Probenmaterialien Es wurden PEEK-Compounds eingesetzt, die jeweils einen Kohlenstofffaseranteil von 30% enthielten. Eine Probenreihe enthielt 30% PAN-Fasern, eine weitere Probenreihe enthielt 30% Kohlenstofffasermix im Verhältnis Pitch zu PAN von 30 zu 70, bezogen auf die Gesamtmasse also 9% Pitch-Fasern und 21% PAN-Fasern. Auf Untersuchungen von reinen Pitch-Faser gefüllten Proben wurde hier verzichtet, da Voruntersuchungen gezeigt haben, dass diese hohe Reib- und Verschleißwerte hervorrufen. Als Gegenpartnermaterial wurden Platten und Scheiben aus vergütetem 100Cr6 (608HV10) und rostfreiem X5CrNi18-10 (187HV10) eingesetzt, die vor jeder Untersuchung mit einer Flächenschleifmaschine angeschliffen wurden, um jeweils die gleiche Oberflächenbeschaffenheit sicherzustellen. Dies führt auf den Scheiben zu einer gerichteten Oberflächenstruktur mit einer durchschnittlichen Rauheit von Ra = 0,34. Die PEEK-Proben wurden also während einer Scheibenumdrehung jeweils zweimal in Schleifrichtung und zweimal 90

4 zur Schleifrichtung belastet. Sämtliche PEEK-Probenmaterialien wurden von der Firma Lehmann & Voss GmbH und Co. KG zur Verfügung gestellt. Die Firma Quadrant EPP Belgium N.V. extrudierte aus diesem Material Vollstrangprofile und drehte aus diesen Stifte mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 16 mm, deren Stirnflächen die Verschleißflächen bildeten. Die Kohlenstofffasern waren in den Proben statistisch verteilt und orientiert. 2.2 Untersuchungsmethoden Alle Stift-Scheibe-Untersuchungen wurden mit einem Universaltribometer CETR-UMT-3 der Firma Bruker Nano GmbH (ehemals CETR) durchgeführt. Abb. 1: Universaltribometer Funktionsprinzip (a) Prinzip Stift-Scheibe (b) Der Prüfaufbau ist schematisch in Abb. 1 und die Halterung für die Kunststoffproben ist in Abb. 2 (rechts) dargestellt. Es standen runde Proben mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 16 mm zur Verfügung. Abb. 2: Probenscheibe (links) nach rotierender Bewegung und Probe (rechts) ø 6 mm im Probenhalter

5 Auf der geschliffenen Scheibe (Abb. 2, links) wurden jeweils zwei Untersuchungen durchgeführt. Eine auf dem Radius 26 mm und eine weitere auf dem Radius 18 mm. Die relative Geschwindigkeit war in beiden Fällen gleich. Alle untersuchten Gleitgeschwindigkeiten und Kräfte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Belastung der Proben wurde zwischen 42,5 N und 127,5 N, die Gleitgeschwindigkeit zwischen 0,15 m/s und 0,45 m/s variiert. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. p v - Wert [MPa m/s] v [m/s] Faserart Kraft [N] 42, ,5 0,15 PAN 30Pitch/70PAN 0,23 0,45 0,68 0,30 PAN 30Pitch/70PAN 0,45 0,90 1,36 0,45 PAN 30Pitch/70PAN 0,68 1,36 2,04 Tabelle 1: Belastungskollektiv rotierend Diese Matrix spiegelt Belastungskollektive wider, wie sie auch in technischen Anlagen vorkommen. In Abb. 3 sind Schliffbilder einer beliebigen PAN-Faser gefüllten Probe dargestellt. Es wurde untersucht, wie die Kohlenstofffasern in der Probe verteilt sind. Die Bilder zeigen, dass die Fasern tatsächlich quasiisotrop in den Proben verteilt vorliegen.

6 Abb. 3: Probenschliffe quer (links) und in Extrusionsrichtung (rechts) einer PAN- Faser Probe bei 100facher Vergrößerung 3 Ergebnisse und Diskussion Der generelle Einfluss des Gegenpartnermaterials auf das Reib- und Verschleißverhalten von Hochtemperaturpolymeren mit einem Fasergehalt von 30% wird hier dargestellt. 3.1 PAN-Faser Proben vs. 100Cr6 und X5CrNi18-10 Diagramm 1: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der PAN-Faser gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,15 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen Die in Diagramm 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei einer rotierenden Gleitbewegung mit einer Geschwindigkeit von 0,15 m/s, die PAN-Faser gefüllten Proben gegen den 100Cr6 Stahl tendenziell stärker verschleißen als gegen den rostfreien X5CrNi18-10 Stahl. Bei geringer Belastung und geringer Geschwindigkeit ist der Einfluss des

7 Gegenpartnermaterials auf den Verschleiß der PAN-Faser gefüllten Proben gering. Mit steigender Belastung nimmt der Verschleiß gegen den 100Cr6 Stahl zu, wohingegen diese Tendenz gegen den X5CrNi18-10 Stahl nicht beobachtet werden kann. Hier nimmt der Verschleiß mit steigender Belastung eher ab. Auf das Reibverhalten der PAN-Faser gefüllten Proben hat das Gegenpartnermaterial bei geringer Geschwindigkeit von 0,15 m/s kaum Einfluss. Hier fällt lediglich auf, dass die Reibwerte gegen den X5CrNi18-10 Stahl stärker in ihrem Verlauf streuen. Diagramm 2: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der PAN-Faser gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,30 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen Die in Diagramm 2 dargestellten Ergebnisse beruhen auf steigenden Belastungen bei einer Geschwindigkeit von 0,30 m/s. Auch hier liegen die Verschleißwerte gegen den 100Cr6 Stahl bei der geringsten Belastung über denen gegen X5CrNi18-10 Stahl. Dieser Effekt dreht sich bei mittlerer und höchster Belastung allerdings um. Hier zeigt sich der Gegenpartner aus 100Cr6 Stahl leicht vorteilhaft gegenüber dem X5CrNi18-10 Stahl. Die Reibwerte der Materialkombinationen bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,30 m/s unterscheiden sich, besonders im Einlaufverhalten, von denen bei 0,15 m/s. Gegen den 100Cr6 Stahl zeigt sich bei mittlerer und höchster Belastung ein deutliches Einlaufverhalten bis etwa 25 km Gleitweg. Nur bei der geringsten Belastung ist das Reibverhalten sehr ähnlich dessen bei 0,15 m/s. Auch gegen den X5CrNi18-10 Stahl zeigt sich ein deutliches Einlaufverhalten bis ca. 25 km bei der höchsten und geringsten Belastung. Bei mittlerer Belastung ist der Reibverlauf

8 unbeständiger und nimmt erst ab ca. 35 km Gleitweg einen stabilen Wert an. Die höchsten und niedrigsten Reibwerte werden gegen den rostfreien Stahl gemessen, die Reibwerte gegen den 100Cr6 Stahl liegen bei diesen Belastungen im Mittelfeld. Diagramm 3: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der PAN-Faser gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,45 m/s) bei diversen Belastungen Bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit auf 0,45 m/s (Diagramm 3) und geringster sowie höchster Belastung zeigt sich der Gegenpartner aus 100Cr6 dem aus X5CrNi18-10 leicht überlegen. Im mittleren Belastungsbereich liegen die Verschleißwerte auf dem gleichen Niveau. Die Reibwerteverläufe unterscheiden sich immer deutlicher von denen bei geringerer Geschwindigkeit. Gegen den X5CrNi18-10 Stahl bilden sich bei mittlerer und höchster Belastung ausgeprägte Einlaufpeaks bis ca. 20 km Gleitweg aus. Bei der geringsten Belastung bildet sich dieser Einlaufpeak nicht aus. Ab ca. 20km Gleitweg liegen alle Reibwerte gegen X5CrNi18-10 auf dem gleichen Niveau. Gegen den 100Cr6 Stahl verhalten sich die Proben anders. Bei der geringsten Belastung bildet sich ein extrem langgezogener Einlauf aus, der bis zum Ende der Untersuchung nicht abgeschlossen zu sein scheint. Bei mittlerer Belastung zeigt sich ein kurzer Einlaufpeak bei einem Gleitweg von etwa 5 km und bei der geringsten Belastung zeigt sich dieser bei etwa 2,5 km Gleitweg. Der Einlauf ist hier jeweils ab ca. 10 km Gleitweg abgeschlossen und im weiteren Verlauf bleiben die Reibwerte stabil %Pitch70%PAN-Faser Proben vs. 100Cr6 und X5CrNi18-10

9 Diagramm 4: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der 30%Pitch70%PAN-Faser gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,15 m/s) bei diversen Belastungen Diagramm 4 zeigt den Einfluss des Gegenpartnermaterials bei geringer Gleitgeschwindigkeit von 0,15 m/s auf die Proben, die mit einem Kohlenstofffasermix aus 30%Pitch-Faser und 70%PAN-Faser gefüllt sind. Unter diesen Bedingungen verursacht das Gegenpartnermaterial aus X5CrNi18-10 einen deutlich höheren Verschleiß als der 100Cr6 Stahl. Die Reibwerte sind relativ unabhängig vom Gegenpartnermaterial. Diagramm 5: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der 30%Pitch70%PAN-Fasermix gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,30 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen Auch bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit auf 0,30 m/s liegen die Verschleißwerte gegen den X5CrNi18-10 Stahl über denen gegen 100Cr6 Stahl, wie in Diagramm 5 gezeigt. Überraschenderweise liegt auch hier, wie bei 0,15 m/s, der höchste Verschleißwert bei der mittleren Belastung gegen den X5CrNi18-10 vor. Die Reibwerte sind auch hier relativ unabhängig vom Gegenpartnermaterial. Die geringsten Reibwerte weist die Kombination aus höchster Belastung gegen den X5CrNi18-10 Stahl auf. Bei geringster und mittlerer Belastung liegen die Reibwerte leicht oberhalb von der

10 höchsten Belastung auf stabilem Niveau über den gesamten Reibverlauf. Die Reibwerte gegen den 100Cr6 weisen ein deutlicheres Einlaufverhalten auf, wobei auch hier die Kombination bei der höchsten Belastung die geringsten Reibwerte aufweist. Je geringer die Belastung, desto ausgeprägter das Einlaufverhalten und desto höher die durchschnittlichen Reibwerte. Diagramm 6: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der 30%Pitch70%PAN-Fasermix gefüllten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,45 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen Eine weitere Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit auf 0,45 m/s (Diagramm 6) hat kaum Auswirkung auf die Verschleißwerte gegen den 100Cr6 Stahl. Die Verschleißwerte der Proben gegen den rostfreien X5CrNi18-10 Stahl liegen bei der geringsten und mittleren Belastung leicht über denen gegen 100Cr6. Bei der höchsten Belastung zeigen die Proben gegen den rostfreien Stahl einen signifikant höheren Verschleiß. Die Reibwerte der Proben gegen den rostfreien Stahl liegen unabhängig von der Belastung auf gleichem Niveau über dem gesamten Auswertebereich. Die Reibwerte der Proben gegen den 100Cr6 Stahl zeigen ein anderes Verhalten. Bei der geringsten Belastung steigt der Reibwert bis zum Gleitweg von ca. 20 km und sinkt im weiteren Verlauf. Er scheint sich erst ab einem Gleitweg von ca. 35 km auf ein konstantes Niveau von etwa µ = 0,3 einzustellen. Bei mittlerer und höchster Belastung fällt der Reibwert nach Durchlaufen eines Reibwertmaximums auf ein sehr geringes Niveau. Diagramm 7 zeigt sämtliche Ergebnisse bei 0,15 m/s im Überblick. Hier wird deutlich, dass gegen X5CrNi18-10 mit steigender Belastung die spezifische Verschleißrate der Fasermixproben aus 30%Pitch- und

11 70%PAN-Fasern deutlich sinkt. Die große Streuung der Werte bei der geringsten Belastung ist auf einen Ausreißer zurückzuführen. Hier werden noch weitere Untersuchungen folgen, um den Wert zu verifizieren. Auch die Reibwerte nehmen bei dieser Kombination tendenziell mit steigender Belastung leicht ab. Dieses Verhalten ist bei den gleichen Proben gegen 100Cr6 Stahl nicht zu beobachten. Hier sind die Verschleißwerte sowie die Reibwerte unabhängig von der jeweiligen Belastung. Die Proben, die ausschließlich mit PAN-Fasern gefüllt waren, verhalten sich anders. Zwar sinkt hier die spezifische Verschleißrate mit steigender Belastung gegen den X5CrNi18-10 Stahl zunächst ebenfalls, aber die geringsten Werte werden hier unter der mittleren Belastung von 85,0 N gemessen. In diesem Bereich liegen auch die niedrigsten Reibwerte vor. Der Gegenpartner aus 100Cr6 Stahl führt bei steigender Belastung zu steigenden Verschleißwerten. Die Reibwerte liegen hier auf dem gleichen Niveau wie gegen wie gegen den X5CrNi18-10 Stahl. Diagramm 7: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der getesteten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,15 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen im stationären Bereich zwischen 40 und 50 km Gleitweg. Diagramm 8: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der getesteten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,30 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen im stationären Bereich zwischen 40 und 50 km Gleitweg.

12 In Diagramm 8 sind die Ergebnisse der Untersuchungen bei 0,30 m/s gegenüber gestellt. Obwohl lediglich die Geschwindigkeit verdoppelt wurde, zeigt sich ein deutlich verändertes Verschleißverhalten. Die Fasermixproben zeigen nun zwar ebenfalls sinkende Verschleißwerte bei steigender Belastung und das auf deutlich geringem Niveau. Auch hier ist die große Streuung bei der Belastung von 85,0 N auf einen Ausreißer zurückzuführen. Auch diese Untersuchungen werden in Zukunft wiederholt. Gegen den Gegenpartner aus 100Cr6 Stahl hat die Verdoppelung der Geschwindigkeit allerdings so gut wie keinen Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Fasermixproben. Die Verschleiß- und Reibwerte verhalten sich sehr stabil und unabhängig, sowohl von der Geschwindigkeit als auch der Belastung. Auf die PAN- Faser gefüllten Proben hat die Verdoppelung der Geschwindigkeit erheblichen Einfluss. Bei der geringsten Belastung ist die spezifische Verschleißrate gegen X5CrNi18-10 nun auf dem geringen Niveau der Fasermixproben gegen 100Cr6. Die Erhöhung der Belastung führt zu einer Verdoppelung der spezifischen Verschleißrate. Ein ähnlicher Effekt ist bei den Reibwerten festzustellen. Auch hier liegt der geringste Reibwert der PAN-Faser Proben bei der geringsten Belastung vor und mit steigender Belastung steigen auch die Reibwerte. Gegen 100Cr6 Stahl ist die spezifische Verschleißrate bei geringer Belastung erheblich größer, als bei mittlerer und höchster Belastung. Bei der höchsten Belastung steigt die Verschleißrate zwar wieder, aber nur verhältnismäßig leicht. Auf die Reibwerte hat die Erhöhung der Geschwindigkeit nicht einen solch großen Einfluss; die Reibwerte liegen auf dem gleichen Niveau wie bei 0,15 m/s. Diagramm 9: Vergleich von Verschleiß- und Reibmittelwertkurven der Getesteten Proben gegen 100Cr6 und X5CrNi18-10 (v = 0,45 m/s) bei unterschiedlichen Belastungen im stationären Bereich zwischen 40 und 50 km Gleitweg.

13 Die in Diagramm 9 dargestellten Ergebnisse zeigen die Ergebnisse bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,45 m/s. Es wird auf den ersten Blick deutlich, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit tendenziell eher vorteilhaft für das Verschleißverhalten ist. Lediglich der Fasermix scheint bei der größten Belastung gegen den rostfreien Stahl langsam an seine Belastungsgrenze zu kommen. Auch bei den PAN-Faser gefüllten Proben steigt der Verschleiß mit steigender Belastung, allerdings auf niedrigerem Niveau. Gegen den 100Cr6 Stahl liegen die Verschleißwerte aller Proben grundsätzlich unterhalb derer gegen den rostfreien X5CrNi18-10 Stahl. Auf die Reibwerte hat auch die Erhöhung der Geschwindigkeit auf 0,45 m/s kaum Einfluss. Tendenziell führt eine Erhöhung der Belastung zu sinkenden Reibwerten. In Tabelle 2 sind die Mittelwerte der spezifischen Verschleißraten und der Reibwerte gegenüber gestellt. F [N] v [m/s] Gegenpartner 42,5 85,0 127,5 42,5 85,0 127,5 42,5 85,0 127,5 0,15 0,30 0,45 30%Pitch70%PAN 100%PAN k [10-8 mm 3 /Nm] µ k [10-8 mm 3 /Nm] µ 100Cr6 35 0, ,27 X5CrNi , ,27 100Cr6 38 0, ,25 X5CrNi , ,21 100Cr6 35 0, ,27 X5CrNi , ,30 100Cr6 49 0, ,25 X5CrNi , ,18 100Cr6 46 0, ,20 X5CrNi , ,29 100Cr6 43 0, ,28 X5CrNi , ,25 100Cr6 61 0, ,28 X5CrNi , ,23 100Cr6 33 0, ,25 X5CrNi , ,24 100Cr6 75 0, ,15 X5CrNi , ,24 Tabelle 2: Ergebnisse Zahlenwerte Verschleiß- und Reibwerte rotierend 4 Zusammenfassung und Ausblick Vorangegangene Untersuchungen [12] konnten bereits den erheblichen Einfluss der Faserart auf das Verschleißverhalten von

14 Kohlenstofffasercompounds zeigen. Auch die Art der Belastung hat einen elementaren Einfluss auf das Reib- und Verschleißverhalten der getesteten Materialien. Hier zeigte sich nun, dass das Gegenpartnermaterial ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf das Reibund Verschleißverhalten haben kann. Besonders groß ist der Einfluss bei den PAN-Faser gefüllten Proben unter geringen Belastungen. Hier ist die spezifische Verschleißrate gegen den 100Cr6 Stahl zum Teil eine Größenordnung höher als gegen X5CrNi Eine grundsätzliche Tendenz lässt sich aus den bisher ermittelten Daten noch nicht ablesen, allerdings scheint eine Erhöhung der Belastung und Geschwindigkeit zu stabileren Werten zu führen. Somit scheint der Einfluss des Gegenpartnermaterials mit steigender Belastung und Geschwindigkeit abzunehmen. Auf das Verschleißverhalten der Compounds mit dem Fasermix wirkt sich der 100Cr6 Stahl dagegen positiv aus. Bei allen untersuchten Belastungen und Geschwindigkeiten ist er dem X5CrNi18-10 deutlich überlegen. Bei geringen Belastungen sind bei den Reibwerten dagegen kaum Unterschiede zwischen den beiden Gegenpartnern festzustellen aber höhere Geschwindigkeiten und insbesondere hohe Lasten wirken sich positiv auf das Reibverhalten von 100Cr6 aus. 5 Danksagung Die Arbeiten wurden im Kunststoff-Kompetenzzentrum der FH Lübeck durchgeführt. Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) für die finanzielle Unterstützung. Für die kostenlose Bereitstellung verschiedener Probenmaterialien gebührt der Firma Lehmann & Voss & Co. KG, Hamburg sowie der Firma Quadrant EPP Belgium N.V. unser Dank.

15 6 Literatur [1] N.N., Gleitlager-Polymer, IGUS GmbH, Köln, 10/2002 [2] N.N., Simrit - Ihr weltweiter Technologiespezialist für Dichtungs- und Schwingungstechnik, [3] N.N., LNP-Bulletin 254, Lubricomp - Internally lubricated reinforced thermoplastics and fluorpolymer composites, LNP Plastics, 2002 [4] N.N., Gleitmittelmodifizierte Werkstoffe, [5] K. Friedrich, O. Jacobs (V), Polymer-Verbundwerkstoffe für den Einsatz in verschleißbelasteten Systemen, Proc. Verbundwerk 88, Wiesbaden 1988 [6] D.D. Edie, The effect of processing on the structure and properties of carbon fibers, Carbon 36 (1998) [7] Y. Huang, R.J. Young, Effect of fibre microstructure upon the modulus of PAN- and pitch-based carbon fibres, Carbon 33 (1995) [8] D. Hull, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 1996 [9] J. K. Lancaster, Lubrication of carbon fibre-reinforced polymers part I - Water and aqueous solutions, Wear 20 (1972) [10] H. Uetz, J. Wiedemeyer, Tribologie der Polymere, Hanser, München, 1984 [11] GfT-Arbeitsblatt 7: Tribologie - Definitionen, Begriffe, Prüfung [12] G. Rüdiger, B. Schädel, O. Jacobs: Einfluss der Kohlenstofffaserart (Pitch/PAN) auf das Reibungs- und Verschleißverhalten von PEEK- Compounds. Proc. Tribologie-Fachtagung, Ges. f. Tribologie, Göttingen, Sept Autorenanschriften Gerrit Rüdiger Fachhochschule Lübeck Mönkhofer Weg 239, Lübeck Tel , Fax Dipl.-Ing. (FH) Gerrit Rüdiger Dipl.-Ing. (FH) Birgit Schädel Prof. Dr. Ing. Olaf Jacobs Fachhochschule Lübeck Mönkhofer Weg 239, Lübeck Tel , Fax